开展大厚度L形复合材料层合板残余应变监测和失效行为研究,探究大厚度条件下铺层顺序对结构承载能力和失效模式的影响。采用内埋光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)监测固化成型过程中L形复合材料层合板弧形区域内部的温度场和应变场的演化和分布特征,研究厚度和铺层角度对L形复合材料热残余应变和回弹角的影响。开展侧弯加载试验,借助数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)表征手段观测其侧向截面的应变场和失效模式。与经验公式的结果进行对比研究,探求不同铺层角度条件下热残余应力对大厚度L形复合材料层合板承载能力与失效模式的影响。结果表明:大厚度L形构件存在一定的温度梯度,但上下层与中间层的温差较小;由于模具作用,含角度L形构件比单向铺层结构更易在拐角内侧产生前负载区域。侧弯试验结果表明,纯0°铺层得到的极限载荷和理论预测基本一致,但准各向同性铺层对应的极限载荷比理论预测小25%,说明前负载区对后继承载能力和失效模式会产生一定的影响。

为研究缝合复合材料的结构和力学性能,以芳纶纤维为缝线,采用改进的锁式缝合方式制备了不同缝合密度及缝合层数的单向碳纤维织物预制体,通过真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺制备复合材料,系统研究了其内部结构以及Ⅰ型层间断裂韧性、冲击性能、弯曲和压缩性能。结果表明:在一次缝合9层且缝合密度为4 mm×4 mm时,复合材料表现出最佳综合力学性能,与未缝合复合材料相比,Ⅰ型断裂韧性提升了50.8%,最大冲击载荷提升了46.2%,能量吸收率提升了27.0%,弯曲强度增加了15.4%,压缩强度提升了4.1%,压缩模量未出现下降;而在一次缝合3层时,不同缝合密度复合材料的弯曲和压缩性能均有所下降。分析发现,增加缝合密度可有效提升复合材料层间性能,增大缝合层数则有助于减少缝线对复合材料面内性能的影响,为缝合工艺参数的选择提供了重要参考。

针刺陶瓷基复合材料在航空航天等热端结构上具有广泛应用前景,但在预制、沉积等过程中产生的制造缺陷导致其性能分散性大,难以准确预测其力学行为。本文基于X射线显微镜和三维图像重构技术,结合概率拟合方法,对材料孔隙缺陷的尺寸和结构特征进行参数化表征,发现与单向层相比,网胎层孔隙率高,且孔隙等效直径大,但长宽比小。采用椭球拟合和多尺度建模方法,对材料的弹性性能进行了预测和分析,预测结果与实验结果相差约3.1%,具有较好的准确性。通过对孔隙参数的讨论发现:单向层孔隙在分布方向上具有较好的统一性,对纤维束长度方向弹性性能的削减程度低于对其他方向弹性性能的削减程度;相较而言,网胎层具有较高的孔隙率,通过改善工艺参数降低网胎层孔隙率,有利于进一步提高材料整体的弹性性能。

渗透率是纤维复合材料成型过程中的关键参数,由纤维结构决定。对于具有一定曲率的构件,纤维剪切变形难以避免,从而导致纤维结构改变,影响渗透率。为研究剪切变形下的纤维面内渗透率变化规律,建立渗透率主值和方向的预测模型,采用二维径向流动实验对编织纤维布和无屈曲纤维布进行渗透率测试;通过椭圆张量叠加和Kozeny-Carman方程分别提取纤维重定向和纤维体积分数作为渗透率的主要影响因素,并对其进行量化,建立渗透率预测模型;将理论模型与实验数据及多组文献数据结合,进一步简化了模型参数,得到了可广泛适用于二维正交各向异性机织纤维布和无屈曲纤维布的面内渗透率预测模型。

碳纤维复合材料具有超高的强度和刚度,在工业领域应用广泛。钢与碳纤维复合材料的搭接形式是提升搭接接头强度的关键。本文提出了一种新型搭接结构:钢带等间距开孔,碳纤维布S形编织,并在钢带与碳纤维间布胶,形成胶-编混合搭接。对胶-编混合搭接接头和胶黏搭接接头进行了破坏试验,研究结果表明,引入编织工艺的接头改变了钢-胶层界面的应力状态,与胶黏搭接接头相比,胶-编混合搭接接头单位厚度峰值强度平均提高了25%,破坏形式从单一的钢-胶层界面完全脱黏破坏转变为钢-胶层界面完全脱黏、钢-胶层界面部分脱黏、碳纤维(损伤)断裂、编织条滑移和钢板翘曲等多种破坏模式的耦合破坏。进一步研究了开孔数量和编织宽度对胶-编混合搭接接头强度的影响。结果表明:随着开孔数量的增加,搭接接头强度先增加后减小;随着编织宽度的增加,搭接接头强度相应增加,但强度增幅先快后慢。25 mm编织宽度的双孔结构试样强度最高,10 mm编织宽度的四孔结构试样强度最低,最高强度比最低强度提升了106.38%。

相对于传统的混合变分原理,带有分裂因子的广义混合变分原理的优越性非常明显。目前,广义混合元模型中分裂因子值的选取是一个开放性问题。基于线弹性问题的应变能等于余能且应变能和余能分别等于混合能量的一半的理论,提出了一种选择分裂因子的误差分析方法。该方法为获取协调广义混合元的适当分裂因子提供了新的途径。数值实例分析表明,通过本文方法获得的协调混合元的分裂因子值,同样适用于3D复合材料层合板问题的求解,且在网格模型相同的情下,可获得更精确的数值结果。

为分析芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁边节点的应变发展规律,通过10个芯钢管边节点试件和1个普通边节点试件的低周反复试验,探析芯钢管含钢率、CFRP条带间距、节点环箍配箍率、轴压比和梁纵筋配筋率的影响。试验结果表明:试件在节点处发生剪切破坏。早期节点剪力主要由混凝土斜压杆承担,当试件达到峰值承载力时,节点斜向压力仍由混凝土承担,而斜向拉力由柱纵筋和节点环形箍筋共同承担,芯钢管直接参与抗剪。考虑芯钢管含钢率、节点环箍配箍率和轴压比的影响,引入边节点抗剪综合影响系数,建立边节点抗剪承载力的计算模型,公式计算结果与试验值吻合较好。

为研究不同防护方式下的碳纤维复合材料层合板雷击损伤特性,对无防护、喷涂铝层防护、铜网防护的三种碳纤维复合材料层合板进行了雷击仿真与试验研究。在有限元仿真软件中建立三种层合板模型,统一施加A+B+C^*组合波形雷电流,分析了不同防护方式下层合板的损伤特性,同时还对不同特征参数的铜网的防护效果进行了评估。仿真与试验结果表明:无防护层合板损伤与其铺层方向相关,喷涂铝层防护层合板损伤形状近似为圆形,铜网防护层合板损伤形状近似为椭圆;喷涂铝层与铜网均有效减小了层合板的损伤面积与损伤深度;铜网防护层合板损伤面积与损伤深度随铜网梗宽的增大而减小。

碳纤维/聚合物基复合材料(CFRP)层合板法向刚度远低于面内刚度,当受到面外载荷作用时,极易发生损伤失稳。为了对厚度方向进行增韧,研究了改性纳米ZnO增韧薄膜对CFRP层合板力学性能的影响。首先使用偶联剂对纳米ZnO进行改性,得到改性后的纳米ZnO,将不同质量分数(0~4wt%)的改性纳米ZnO颗粒在固化剂的作用下混合加入环氧树脂中,在复合材料试件的两个界面之间形成了具有不同层间性能的黏结膜,并将其应用于端部缺口弯曲(ENF)试验和双悬臂梁(DCB)试验。建立了一系列有限元模型,并结合试验数据确定的模型参数对改性纳米ZnO和固化剂的影响进行了分析。结果表明,对于增韧梁(含4wt%改性纳米ZnO和2wt%GEL2-BS),ENF试验和DCB试验的临界载荷分别增加了30.25%和68.40%。

二维连续纤维增强陶瓷基复合材料是航空航天领域重要的应用材料,然而层间断裂严重约束了该类材料的使用。为监测和评估材料层间Ⅰ型断裂韧性,开展了层间Ⅰ型断裂的直流电势降试验,获取了层间Ⅰ型裂纹起始及扩展时的加载数据及相应测点的电势降数据,并通过建立力-电模型定量分析了相关特征变化发生的原因。试验结果表明:在裂纹起始阶段,即加载曲线线性转非线性的拐点位置,预制裂纹尖端位置电势降发生了平滑-抬升的变化;裂纹的进一步扩展引起纤维的脱附及断裂,在电势降变化曲线上表现为抬升曲率的增加;当裂纹扩展受到阻力时,如Z-pin拔出及次生裂纹产生,将明显减缓电势降曲线的抬升。最后,结合试验数据证明了所提出力-电模型的合理性。研究结果对于应用材料电学特性监测和评估层间Ⅰ型断裂韧性具有一定的指导和参考价值。

在复合材料缠绕成型过程中,纤维与芯模之间的摩擦滑移行为会导致发生滑线。纤维稳定缠绕的条件为设计线型的最大滑线系数小于等于纤维与芯模之间的摩擦系数,因此碳纤维与芯模之间的摩擦系数是线型设计中的重要依据。本文基于平面摩擦原理,通过滑块法,对纤维与芯模材料之间的摩擦系数进行了试验表征,并得到了压力、速率、粗糙度、树脂黏度、接触材料、纤维与运动方向所成的角度以及纤维种类对摩擦系数的影响规律。试验结果表明,压力增大、速度减小及表面粗糙度降低均会使得摩擦系数减小,黏度改变和纤维方向对摩擦系数有双重影响,会随压力与速率的改变而展现出不同的影响,而不同接触材料和纤维种类则由于表面情况的不同,有着不同的摩擦系数。

本文采用数值模拟研究了碳玻混杂复合材料的胶-螺混合搭接结构在弯曲载荷下的失效模式,并进行了弯曲试验验证;然后,本文考察了上搭接板所占厚度比例对混合连接结构的强度和刚度的影响,并根据结果提出了连接结构的优化设计。结果表明:数值模拟得到的载荷-位移曲线的关键失效时刻与试验结果吻合较好,初始损伤表现为胶层失效,产生于连接区右侧端部,并出现第一峰值载荷;随着位移载荷的增加,裂纹继续扩展,胶层完全破坏后,螺栓将继续单独承受载荷,直到复合材料发生挤压破坏,最终导致整体结构失效。优化设计的结果表明,提高上搭接板厚度可有效提升极限承载力,其中上搭接板厚度为总厚度的65%的连接结构极限承载能力相比原设计(上板厚度占总厚度的50%)极限承载能力提升了98.6%,最终失效模式由上搭接板右侧螺孔挤压失效转变为上下搭接板两侧螺孔均发生挤压失效,上搭接板与下搭接板失效程度基本一致,结构性能得到了充分发挥。

在工程设计和应用中,玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂基复合材料(GFRP)的热变形温度(T_HD)与玻璃化转变温度(T_g)被用于表征耐热性。本研究通过选择实验路径确定了测试GFRP的T_HD的适用方法,研究了树脂固化体系、固化条件及不同的玻璃纤维织物形态与纤维含量对GFRP的T_HD与T_g的影响,探索了GFRP及其基体树脂的T_HD与T_g之间的相关性。以储存模量随温度变化的速率定义了起始玻璃化转变温度T_g,G′i与最终完成玻璃化转变温度T_g,G′f,说明了它们在复合材料制造、检验与工程应用中的用途。

以N-氨乙基哌嗪(AEP)和二氧化碳为原料,制备发泡剂B-AEP,并将其负载在氧化石墨烯(GO)表面,成功制备出集成核、发泡、增强为一体的功能化氧化石墨烯粒子(GO@B-AEP),采用一步法受限发泡制备出功能化氧化石墨烯改性酚醛(GO/PF)微发泡复合材料。采用红外光谱和扫描电子显微镜(SEM)研究了GO@B-AEP的结构;采用万用试验机和邵氏硬度计研究了GO添加量、表观密度以及发泡剂含量对GO/PF微发泡复合材料力学性能的影响;采用SEM对微孔结构与孔径分布进行了分析。结果表明:当GO添加量为0.4wt%时,GO/PF力学性能最佳,同时热稳定性最佳;当表观密度为1.0 g/cm³时,泡孔质量最佳;当发泡剂含量为1.5wt%时,泡孔形状与尺寸较好,GO/PF微发泡复合材料的力学性能得到显著提升。

本文以短切玻璃纤维为骨架,TEOS改性酚醛树脂为黏结剂,采用真空抽滤法制备出一种低成本、耐中低温隔热需求的玻璃纤维隔热瓦(GIT),并具体探究了杂化树脂黏结剂对隔热瓦的微观形貌、力学性能、隔热性能的影响规律。结果表明,TEOS与酚醛树脂相容性良好,能成功构建刚柔相结合的双网络互穿结构。制备的玻璃纤维隔热瓦均具有典型的准层状分布,密度为0.20~0.26 g/cm³。其中,GIT-100的综合性能最好,Z向、X/Y向压缩强度分别在应变为5.1%、4.2%时呈现最大值0.695 MPa、3.546 MPa,压缩形变为15%时的回弹率高达90%,室温热导率为0.047 5 W/(m·K),经400 ℃热处理后压缩强度下降12.5%。

为解决目前矿用安全头盔重量过大的问题,采用碳纤维增强复合材料(CFRP)替代传统ABS注塑材料实现矿用安全头盔的轻量化设计。建立了钢球-头盔碰撞仿真有限元模型,在碰撞仿真环境下对比分析ABS和CFRP盔壳的力学性能。与ABS盔壳相比,CFRP盔壳的强度和刚度更优,且具有更好的防护性能。利用BP神经网络模拟CFRP铺层参数与头盔力学性能之间的输入输出映射关系,并使用粒子群优化算法实现了对CFRP头盔力学性能的全局优化。优化结果表明,最优铺层参数为单层层厚0.2 mm,各层铺层角度为,优化后的CFRP头盔在碰撞仿真中的顶部最大变形量为19.601 mm,头模最大受力为4.891 kN。该优化方案能够满足相关国家标准的要求,同时实现相比ABS头盔盔壳减重49.3%的轻量化设计。

悬挂式复合材料动力设备基座是一种新型减振基座,主要通过延长振动传递路径和采用复合材料两个途径减小振动。针对基座的主要承重结构,设计并制备了玻璃钢复合材料立柱,并用实验和数值计算的方法分析了复合材料细观参数和立柱宏观参数对GFRP立柱的动力学特性影响。研究结果表明,铺层角度和纤维体积分数对GFRP立柱动力学特性影响较大,且改变奇数层铺层和偶数层铺层性能也不一致,立柱结构的宏观参数也会对立柱动力学特性有影响。研究结果可为悬挂式复合材料动力设备基座的设计和应用提供参考。

为减轻车身重量,对金属电池包上盖进行玻璃纤维复合材料轻量化设计。采用黑阻燃玻璃纤维方格布预浸料和DP590钢板一体模压成型工艺,通过试验及微观分析优选酸碱清洗、喷砂、电泳涂层处理为钢板改性最优方案。对于总厚度为1.5 mm的玻璃纤维-钢板增强复合材料设计9组正交试验,采用仿真分析与试验测试,分别对9组不同的玻璃纤维-钢板增强复合材料进行弯曲、拉伸仿真分析和测试试验,得到了复合材料力学性能,两种方法的最大相对偏差为1.49%,仿真结果可靠。对正交试验结果进行极差分析,确定了使结合强度达到最佳的工艺参数组合,即模具温度为150 ℃,模压压力为12 MPa,钢板厚度为0.8 mm,钢板复合材料结构为1+1。试验样件的剥离强度、吸水性、阻燃、热变形温度、耐电压均满足设计要求,并且减重39.4%,满足轻量化要求。